JP2004255104A

JP2004255104A - 電気刺激装置

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Publication number: JP2004255104A
Application number: JP2003052041A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Muraoka; 慶裕村岡
Original assignee: Keio University
Current assignee: Keio University
Priority date: 2003-02-27
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2023-02-27
Also published as: JP4389036B2

Abstract

【課題】小型軽量化のために昇圧回路を非絶縁系であるトランスレスにした上で、昇圧回路と筋電測定系とで電源を兼用することができる電気刺激装置を提供すること。
【解決手段】昇圧回路１４は、非絶縁系のトランスレスである。刺激を加えない期間にフォトモスリレーＳＷ５，ＳＷ６をオンにしてコンデンサＣに１００Ｖを充電しておき、刺激を加える期間はフォトモスリレーＳＷ５，ＳＷ６をオフにして、まずフォトモスリレーＳＷ２，ＳＷ３をオフのまま、フォトモスリレーＳＷ１，ＳＷ４をオンにして電極Ｅ２から電極Ｅ１に電流を流し、負極性である電極Ｅ１を興奮させ、次にフォトモスリレーＳＷ１，ＳＷ４をオフにしてから、フォトモスリレーＳＷ２，ＳＷ３をオンにして電極Ｅ１から電極Ｅ２に電流を流して、負極性である電極Ｅ２を興奮させる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下垂足患者の運動機能補助、運動機能回復又は筋力増強などのために好適な電気刺激装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
脳血管障害による片麻痺の後遺症に、下垂足と呼ばれるものがある。下垂足患者においては、足関節の背屈筋群の弛緩、底屈筋群の亢進により、足関節の背屈が困難になっている。そのため歩行遊脚時に、健常者では背屈筋群の収縮により足関節が背屈しスムーズに脚が振り出されているのに対し、下垂足患者では、足関節が背屈せず爪先が接地してしまう。この「引きずり歩行」のために患者の歩行は困難なものになっている。
【０００３】
図６は、第１従来技術である電気刺激装置の構成を示す図である。電極Ｅ１１，Ｅ１２は筋活動を拾いたい筋肉の筋腹に、電極Ｅ１３は、任意の位置に配置される。患者でも筋肉を動かそうとすると微小な随意筋電が出るので、電極Ｅ１１，Ｅ１２はその随意筋電を検出するためのものである。電極Ｅ１３をグランド電極として、電極Ｅ１１，Ｅ１２で検出された目的となる筋肉の随意筋電信号は、入力保護抵抗Ｒ１１，Ｒ１２を介して計測増幅器６１に入力される。計測増幅器６１が飽和しないようにダイオードＤ１１，Ｄ１２により計測増幅器６１の入力は約±０．５Ｖにリミットされる。その後、帯域３００−４５０Ｈｚを有する数段の多段増幅器６２によりマイコン６３により認識できる程度の大きさまで増幅され、マイコン６３のＡ／Ｄ変換入力ＰＩＮから、サンプリング周波数１ｋＨｚにより取り込まれる。マイコン６３は、随意筋電の振幅に比例した幅のパルスを出力して刺激手段６４を制御する。刺激パルスは、双極性パルスで、陽極パルスと陰極パルスは、パルス幅、振幅は同一である。刺激パルス振幅は約１００Ｖであり、パルス幅は５０μｓ−１ｍｓの間で調整され、その幅が大きくなるほど、強い刺激となる。刺激パルス周期は５０ｍｓであり、パルスが印加されるタイミングでフォトモスリレーＳＷ１１，ＳＷ１２はオンとなり、刺激パルスを電極Ｅ１１，Ｅ１２に導通する。刺激パルスが印加されていない時はフォトモスリレーＳＷ１１，ＳＷ１２はオフとなり、刺激手段６４側からのノイズの混入を防ぐと同時に、電極Ｅ１１，Ｅ１２の電極間の短絡を防ぐ役目を果たしている。また、フォトモスリレーＳＷ１１，ＳＷ１２はマイコン６３によりオン・オフのタイミングを制御される。この従来技術は、振幅１００Ｖと、アイソレーションを同時に実現する手段である刺激手段６４としてトランスを使用するものである。
【０００４】
図７は、第２従来技術である電気刺激装置の構成を示す図である。この構成は本出願人が特願２００２−１１５７５６号で提案しているものであり、第１従来技術と異なる点は、フォトモスリレーＳＷ１１，ＳＷ１２を用いる代わりに、それぞれダイアックＤ１３，Ｄ１４を介して電極Ｅ１４，Ｅ１５を共通に刺激手段６４の一方端子に接続し、刺激手段６４の他方端子をアース、すなわち、電極Ｅ１６に接続する構成とした点である。これにより、刺激は電極Ｅ１４，Ｅ１５と電極Ｅ１６の２チャンネルで、筋電測定は電極Ｅ１４，Ｅ１５の１チャンネルで行うものである。この従来技術も刺激手段６４としてはトランスを使用するものである。
【０００５】
しかし、トランスはかさばって重いため携帯性能に欠ける。このため電気刺激装置を装着したままで日常生活を送るには不自由を強いられることになる。
【０００６】
そこで、小型軽量化するために、トランスを用いる代わりにトランスレスの昇圧回路を用いることが考えられる。
【０００７】
図８は、第１参考技術である電気刺激装置の構成を示す図である。この構成は第１従来技術の刺激手段６４及びフォトモスリレーＳＷ１１，ＳＷ１２を用いる代わりに、トランスレスの昇圧回路及びＨブリッジ回路を用いるものである。昇圧回路８４はトランスレスのＤＣ−ＤＣコンバータであり（図３で詳しく説明する）、１００Ｖの直流高圧を発生する。Ｈブリッジ回路はフォトモスリレーＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ２３，ＳＷ２４から成り、フォトモスリレーＳＷ２１，ＳＷ２３及びフォトモスリレーＳＷ２２，ＳＷ２４をそれぞれ直列に接続して、フォトモスリレーＳＷ２１，ＳＷ２２の共通接続端子を昇圧回路８４の＋１００Ｖ端子に接続し、フォトモスリレーＳＷ２３，ＳＷ２４の共通接続端子を昇圧回路８４のグランド端子に接続し、フォトモスリレーＳＷ２１，ＳＷ２３の共通接続端子を電極Ｅ２１に接続し、フォトモスリレーＳＷ２２，ＳＷ２４の共通接続端子を電極Ｅ２２に接続するものである。
【０００８】
この第１参考技術は次のように動作する。フォトモスリレーＳＷ２１，ＳＷ２４をオンにし、フォトモスリレーＳＷ２２，ＳＷ２３をオフにすると、電極Ｅ２１から電極Ｅ２２，Ｅ２３に電流を流し、負極性である電極Ｅ２２，Ｅ２３を興奮させる。逆に、フォトモスリレーＳＷ２２，ＳＷ２３をオンにし、フォトモスリレーＳＷ２１，ＳＷ２４をオフにすると、電極Ｅ２２から電極Ｅ２１，Ｅ２３に電流を流し、負極性である電極Ｅ２１，Ｅ２３を興奮させる。このように第１参考技術では電極Ｅ２３を常に興奮させることになってしまう。
【０００９】
図９は、第２参考技術である電気刺激装置の構成を示す図である。この構成は第２従来技術の刺激手段６４を用いる代わりに、トランスレスの昇圧回路及びＨブリッジ回路を用いるものである。昇圧回路８４はトランスレスのＤＣ−ＤＣコンバータであり（図３で詳しく説明する）、１００Ｖの直流高圧を発生する。Ｈブリッジ回路はフォトモスリレーＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ２３，ＳＷ２４から成り、フォトモスリレーＳＷ２１，ＳＷ２３及びフォトモスリレーＳＷ２２，ＳＷ２４をそれぞれ直列に接続して、フォトモスリレーＳＷ２１，ＳＷ２２の共通接続端子を昇圧回路８４の＋１００Ｖ端子に接続し、フォトモスリレーＳＷ２３，ＳＷ２４の共通接続端子を昇圧回路８４のグランド端子に接続し、フォトモスリレーＳＷ２１，ＳＷ２３の共通接続端子をダイアックＤ２３，Ｄ２４の共通接続端子に接続し、フォトモスリレーＳＷ２２，ＳＷ２４の共通接続端子を電極Ｅ２３に接続するものである。
【００１０】
この第２参考技術は次のように動作する。フォトモスリレーＳＷ２１，ＳＷ２４をオンにし、フォトモスリレーＳＷ２２，ＳＷ２３をオフにすると、電極Ｅ２４，Ｅ２５から電極Ｅ２６に電流を流し、負極性である電極Ｅ２６を興奮させる。逆に、フォトモスリレーＳＷ２２，ＳＷ２３をオンにし、フォトモスリレーＳＷ２１，ＳＷ２４をオフにすると、電極Ｅ２６から電極Ｅ２４，Ｅ２５に電流を流し、負極性である電極Ｅ２４，Ｅ２５を興奮させる。しかし、昇圧回路８４のグランドを筋電測定系のアースである電極Ｅ２６に接続すると、フォトモスリレーＳＷ２２をオンにしたときに＋１００Ｖ端子がアースと短絡してしまう。
【００１１】
【特許文献１】
特願２００２−１１５７５６号
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
このように、第１参考技術及び第２参考技術では、せっかく小型軽量化のために昇圧回路をトランスレスにしても、昇圧回路と筋電測定系とで異なる電源を用意しなければならず十分に小型軽量化することができない。
【００１３】
本発明は、上記問題点に鑑み、小型軽量化のために昇圧回路を非絶縁系であるトランスレスにした上で、昇圧回路と筋電測定系とで電源を兼用することができる電気刺激装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の電気刺激装置は、皮膚表面に配置される第１電極及び第２電極と、第１電極及び第２電極間の信号に基づいて刺激信号を制御する制御手段と、直流の刺激信号を供給するトランスレスの昇圧回路と、直列に接続され共通接続端子が第１電極に接続される第１スイッチ及び第２スイッチと直列に接続され共通接続端子が第２電極に接続される第３スイッチ及び第４スイッチとを有し、第１スイッチ及び第２スイッチと第３スイッチ及び第４スイッチが並列に接続され前記制御手段により制御されるＨブリッジ回路と、該Ｈブリッジ回路と並列に接続されるコンデンサと、前記昇圧回路の出力の両端と前記コンデンサの両端との間にそれぞれ接続され前記制御手段により制御されて、前記Ｈブリッジ回路のすべてのスイッチがオフの期間にオンとなる第５スイッチ及び第６スイッチと、前記昇圧回路の出力の一端と接続され皮膚表面に配置される第３電極とを備える。
【００１５】
また、本発明の電気刺激装置は、皮膚表面に配置される第１電極及び第２電極と、第１電極及び第２電極間の信号に基づいて刺激信号を制御する制御手段と、直流の刺激信号を供給するトランスレスの昇圧回路と、直列に接続される第１スイッチ及び第２スイッチと直列に接続される第３スイッチ及び第４スイッチとが並列に接続され前記制御手段により制御されるＨブリッジ回路と、該Ｈブリッジ回路と並列に接続されるコンデンサと、前記昇圧回路の出力の両端と前記コンデンサの両端との間にそれぞれ接続され前記制御手段により制御されて、前記Ｈブリッジ回路のすべてのスイッチがオフの期間にオンとなる第５スイッチ及び第６スイッチと、第１スイッチと第２スイッチとの共通接続端子と第１電極及び第２電極との間にそれぞれ接続される第７スイッチ及び第８スイッチと、第３スイッチと第４スイッチとの共通接続端子と接続され皮膚表面に配置される第３電極とを備える。
【００１６】
また、第７スイッチ及び第８スイッチが、ダイアックであることで、更に小型軽量化される。
【００１７】
また、前記制御手段は、第１電極及び第２電極間の信号に基づいて筋肉が静止しているときに、電気刺激を与えるように制御することで、日常生活を送りながら本装置を装着して使用しても体の動きを妨げられることがない。
【００１８】
また、前記制御手段は、第１電極及び第２電極間の信号から導出される随意筋電の大きさの時間的変化に基づいて制御することで、確実に体が静止していることを検出することができる。
【００１９】
また、本発明の電気刺激装置は、筋肉が静止しているときに、電気刺激を与えて筋肉を収縮させる手段を有する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明の第１実施の形態による電気刺激装置の構成を示す図である。本実施の形態の電気刺激装置は、第１参考技術（図８参照）の昇圧回路８４とＨブリッジ回路との間にフォトモスリレーＳＷ５，ＳＷ６とコンデンサＣとを挿入したものであり、主に電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３、入力保護抵抗Ｒ１，Ｒ２、ダイオードＤ１，Ｄ２、計測増幅器１１、多段増幅器１２、マイコン１３、昇圧回路１４、フォトモスリレーＳＷ５，ＳＷ６、コンデンサＣ、Ｈブリッジ回路から成る。電極Ｅ１，Ｅ２は、筋活動を取得すべき筋肉の筋腹の皮膚表面に配置され、患者が筋肉を動かそうとした時に発生する微弱な随意筋電を検出すると共に、刺激信号を皮膚から筋肉に与えるための電極として機能する。電極Ｅ３は、皮膚表面の任意の場所に配置され、グランド電極として機能する。入力保護抵抗Ｒ１，Ｒ２は、それぞれ電極Ｅ１，Ｅ２と計測増幅器１１との間に接続され、刺激信号を電極Ｅ１，Ｅ２に印加する際に計測増幅器１１を保護する。ダイオードＤ１，Ｄ２は、計測増幅器１１の入力端子間に逆極性に接続され、計測増幅器６１が飽和しないように入力を約±０．５Ｖでリミットする。計測増幅器１１は、電極Ｅ１，Ｅ２が取得した随意筋電を入力保護抵抗Ｒ１，Ｒ２を介して受けてその微弱な随意筋電を増幅する。多段増幅器１２は、計測増幅器１１が増幅した随意筋電を受けてマイコン１３が認識できる程度まで増幅する。マイコン１３は、多段増幅器１２で増幅された随意筋電を受けて、随意筋電量を算出し、フォトモスリレーＳＷ５，ＳＷ６及びＨブリッジ回路を制御する。昇圧回路１４は、計測増幅器１１や多段増幅器１２の筋電測定系と電源を兼用する、非絶縁系のトランスレスの昇圧回路であって約＋１００Ｖの直流電圧を供給する。具体的な構成は図３で詳しく説明する。フォトモスリレーＳＷ５，ＳＷ６は、それぞれ昇圧回路１４の両極とコンデンサＣの両端との間に接続されマイコン１３によってオン・オフを制御される。コンデンサＣは、フォトモスリレーＳＷ５，ＳＷ６がオンのときに昇圧回路１４の＋１００Ｖを受けて、常にＨブリッジ回路にその＋１００Ｖを供給する。Ｈブリッジ回路は、フォトモスリレーＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４から成り、フォトモスリレーＳＷ１，ＳＷ３及びフォトモスリレーＳＷ２，ＳＷ４をそれぞれ直列に接続して、フォトモスリレーＳＷ１，ＳＷ２の共通接続端子をコンデンサＣの＋１００Ｖ端子に接続し、フォトモスリレーＳＷ３，ＳＷ４の共通接続端子をコンデンサＣのグランド端子に接続し、フォトモスリレーＳＷ１，ＳＷ３の共通接続端子を電極Ｅ２に接続し、フォトモスリレーＳＷ２，ＳＷ４の共通接続端子を電極Ｅ１に接続するものである。フォトモスリレーＳＷ１〜ＳＷ６は光によって制御されるものであるのでマイコン１３とは電気的に絶縁されている。
【００２２】
図２は、第１実施の形態の動作を説明する波形図である。初段が刺激パルス信号であり、６０ｍｓ毎に印加される刺激パルス波形２つをもって１組とし、２つの刺激波形は、同一である。したがって、刺激波形は１２０ｍｓ毎に更新される。刺激パルスの波形はマイコン１３によって制御されるフォトモスリレーＳＷ１〜ＳＷ６によって実現される。すなわち、刺激を加えない期間にフォトモスリレーＳＷ１〜ＳＷ４をオフ、フォトモスリレーＳＷ５，ＳＷ６をオンにしてコンデンサＣに１００Ｖを充電しておき、刺激を加える期間はフォトモスリレーＳＷ５，ＳＷ６をオフにして、まずフォトモスリレーＳＷ２，ＳＷ３をオフのまま、フォトモスリレーＳＷ１，ＳＷ４をオンにして電極Ｅ２から電極Ｅ１に電流を流し、負極性である電極Ｅ１を興奮させ、次にフォトモスリレーＳＷ１，ＳＷ４をオフにしてから、フォトモスリレーＳＷ２，ＳＷ３をオンにして電極Ｅ１から電極Ｅ２に電流を流して、負極性である電極Ｅ２を興奮させる。この間、電極Ｅ３は刺激に関与しない。このように、Ｈブリッジ回路は、電極Ｅ１，Ｅ２に交流を印加する直流／交流変換器であると同時に、電極Ｅ３と電極Ｅ１，Ｅ２とが短絡するのを阻止するスイッチの機能を有する。なお、刺激波形は、＋−を１パルスずつだけでなく、＋−＋−などと連続させたりするなど、任意の波形を生成してもよい。
【００２３】
マイコン１３の入力ではＡ／Ｄ変換入力ＰＩＮから随意筋電が取り込まれサンプリング周期１ｍｓでサンプリングされてデジタル変換される。その波形は、２段目に示すように、刺激信号及び刺激起因のアーチファクトにＭ波（ある運動神経に対し電気刺激を加えると、神経上にインパルスが発生し、それが神経を下降して筋肉に達し、筋肉を収縮させる時に誘発される筋電位）を含む筋電が重畳した信号となっている。刺激信号は６０ｍｓ周期の初めに入力され、その振幅は随意筋電と比べて極めて大きく、かつ、その後の信号処理には必要ない信号であるのでるので、振幅が所定値以上に大きくならないように２つのダイオードによりリミットされる。６０ｍｓ毎の２つの刺激波形が同一であるので、対応する６０ｍｓ毎の２つのアーチファクト及びＭ波も同一になり、それらの差分をとることでアーチファクト及びＭ波を相殺して随意筋電による成分だけを抽出することができる。ただし、６０ｍｓ周期の初めからしばらく（およそ２０ｍｓ）は不安定であるので、周期の終わり近く（下記例では１５ｍｓとしたが、より広くすることもできる）を選択して差分をとることで安定的に随意筋電による成分を抽出することができる。その際に周期を６０ｍｓ、すなわち、２０ｍｓの整数倍としているので２０ｍｓ（５０Ｈｚ）のハムノイズを除去することができる。サンプリング周期を１ｍｓ、この信号の刺激波形が更新される時点を１として、１周期目の信号をａ（１），ａ（２）・・・ａ（６０）、２周期目の信号をａ（６１），ａ（６２）・・・ａ（１２０）とすると、
ｂ（ｎ）＝ａ（ｎ）−ａ（ｎ−６０）；１０４≦ｎ≦１１９
ｂ（ｎ）＝０；１≦ｎ≦１０３，ｎ＝１２０
としたものが３段目の信号処理後の波形となる。ｎ＝１２０のデータを使わないのは、マイコン１３が次の刺激強度の演算を行っており、演算処理には値として反映できないためである。この信号処理により、随意筋電以外の刺激及び刺激起因のアーチファクト、周期２０ｍｓのハムノイズ、Ｍ波が除去される。その後、マイコン１３はｂ（ｎ）の最大値−最小値を算出し、その大きさに応じた幅のパルスを出力してＨブリッジ回路を制御する。これにより次の刺激の強度を決定する。刺激周期は、信号処理手法が同様であれば、６０ｍｓに限定されない。
【００２４】
図３は、昇圧回路の構成の例を示す図である。すでに説明したように、この昇圧回路はトランスレスのＤＣ−ＤＣコンバータであり、より具体的には、出力電圧をＩＣ３０でモニタして所定電圧以下の場合にスイッチングによって電荷を蓄積していって高圧（＋１００Ｖ）を得るものである。
【００２５】
まず、ＩＣ３０から説明する。端子５の電圧と基準電圧発生器３１からの基準電圧とを電圧比較器３２が比較して、端子５の電圧が基準電圧よりも低い場合に高電位をアンド回路３３の１端子に出力する。他方、発振器３５の出力は、アンド回路３３の他端子に供給されると共に反転されてＦＦ（セットリセットフリップフロップ）３４のＲ端子に入力される、アンド回路３３の出力はＦＦ３４のＳ端子に入力される。ＦＦ３４の出力ＱはトランジスタＴＲ３１のゲートに入力され、トランジスタＴＲ３１のエミッタは抵抗Ｒ３１を介して端子２に接続されると共にトランジスタＴＲ３２のゲートに入力され、トランジスタＴＲ３２のエミッタは端子２に接続される。これにより、端子５の電圧が基準電圧よりも低い場合にＦＦ３４の出力Ｑは発振器３５の発振周波数で反転を繰り返し、端子１と端子２を周期的に短絡する。端子５の電圧が基準電圧よりも高い場合にはアンド回路３３の出力が低電位のままなので、Ｑは低電位のままであり端子１と端子２との間は開放されたままとなる。
【００２６】
端子１と端子２とが短絡されると抵抗Ｒ３２に電源電位（＋１０Ｖ）が印加され、トランジスタＴＲ３３のゲートに入力されトランジスタＴＲ３３をオンにする。このため、電源（＋１０Ｖ）からコイルＬ３１を介してアース端子４に電流が流れる。つぎに、端子１と端子２とが開放されるとトランジスタＴＲ３３がオフになり、コイルＬ３１は電流をダイオードＤ３２を介してコンデンサＣ３３に流してコンデンサＣ３３に電荷を蓄積する。これを繰り返すことによってコンデンサＣ３３には高圧（＋１００Ｖ）が得られる。その高圧は抵抗Ｒ３４及び抵抗Ｒ３５によって分圧されて端子５でＩＣ３０によってモニタされる。なお、コンデンサＣ３４は電源電位（＋１０Ｖ）を保持する。
【００２７】
図４は、本発明の第２実施の形態による電気刺激装置の構成を示す図である。本実施の形態の電気刺激装置は、第２参考技術（図９参照）の昇圧回路８４とＨブリッジ回路との間にフォトモスリレーＳＷ５，ＳＷ６とコンデンサＣとを挿入したものであり、この点で第１実施の形態と同じである。ただし、本実施の形態のＨブリッジ回路は、電極Ｅ４，Ｅ５に交流を印加する直流／交流変換器であると同時に、電極Ｅ６と昇圧回路１４の出力Ｖ＋とが短絡するのを阻止するスイッチの機能を有する。
【００２８】
図５は、本発明の第３実施の形態による電気刺激装置の構成を示す図である。本実施の形態の電気刺激装置は、第１参考技術（図８参照）の昇圧回路８４の極性を逆にしたものである。このため電極Ｅ３に負極性の電流を流すことはなく、電極Ｅ３を興奮させることはない。正極性であっても若干の興奮があるが、流れる電流の影響を少なくするために電極Ｅ３を大きくすることでその影響は実質的になくすことが可能である。
【００２９】
本発明の電気刺激装置は小型軽量化されるため、携帯したままで、筋力増強のために用いることができる。以下にその実施の形態を説明する。
【００３０】
モントリオールオリンピックでソ連の選手に使用された筋力増強のための電気刺激は、ＥＭＳ（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＭｕｓｃｌｅＳｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ）と呼ばれ、リハビリテーションやスポーツ医療の分野で普及した。この方法は、筋肉または神経に外部から電気刺激を与え、強制的に筋肉の収縮を起こさせ、筋力増強を生じさせるものである。最近では、ＥＭＳベルトと称し、「１０分間で６００回の腹筋運動と同じ効果がある」などの宣伝が行われ、本人の努力や腹筋の筋力増強に必要とされるような無理な姿勢を取ることなく、筋力増強できるという利点があるとされている。しかしながら、せっかく本発明によって電気刺激装置が小型軽量化されて常時携帯あるいは装着可能となっても、本人の意思とは関係なく筋肉が勝手に収縮してしまうために、日常生活動作を阻害する（下肢や腹筋、臀筋であれば歩行運動の妨げになるし、上肢筋であれば上肢運動の妨げとなる）という問題点がある。そこで、日常の行動を妨げることなく、筋力増強をすることができる電気刺激装置を説明する。
（１）．携帯型の電気刺激兼随意筋電検出装置により、電気刺激を与えながら、随意筋電をモニターし、日常動作をしていない間、電気刺激を与えて筋力増強を行い、日常動作をしている間、電気刺激を止めて日常運動を阻害しないようにする。体幹筋（腹筋、背筋、臀筋など）の場合は、筋電検出兼電気刺激が１チャンネルで良いが、関節運動を起こす上肢筋や下肢筋の場合は、主動筋と拮抗筋それぞれに筋電検出兼電気刺激が必要となるために２チャンネル必要となる。その場合には、図１におけるコンデンサＣの両端に筋電アンプを付加したＨブリッジ回路を増設する。上肢下肢筋の場合には、主動筋と拮抗筋どちらかに随意運動が生じた場合に、電気刺激を止めるようにする。
（２）．昇圧回路＋Ｈブリッジ回路を用いて双極性パルスを発生し、火傷を防ぐ。
（３）．電気刺激を与えながら筋電検出するには、絶縁が必要となり、トランスを用いると、電気刺激のみの装置に比べ大きくなるが、フォトモスリレーを電気刺激出力部に用いることにより電気刺激兼随意筋電検出装置をより小型化することができる。
【００３１】
体を動かしているときは筋電位が大きく変動することに着目して、以下の信号処理により体を動かしているときを検出する。
（１）．同一の刺激を２回ずつ繰り返して加えて、続けた２回の刺激で同期減算して随意筋電のみを抽出する。
（２）．（１）．で得られた随意筋電信号の最大値−最小値（又は、すべての値についての絶対値の積算値）の計算を行う。この値は随意筋電の大きさを反映していて、その最新のものをＶｅｍｇ［０］、その１つ前をＶｅｍｇ［１］・・・とする。
（３）．｜Ｖｅｍｇ［０］−Ｖｅｍｇ［１］｜＞Ｖｔｈとなったら、随意筋電量が大きく変動したとして、刺激を１秒程止める。ここでのＶｔｈは、筋肉や皮下脂肪の厚さ、皮膚と電極の接触インピーダンス、筋電アンプの増幅率で多少異なるので、使用時の最初に調整する必要がある。
【００３２】
基本的に、体幹筋が姿勢を保持している時の筋電は、ごく小さいので、弛緩しているとみなしても良いかもしれないが、厳密には、弛緩ではなく、運動を伴わない等尺性収縮である。
【００３３】
上記の手法であれば、弛緩時も等尺性収縮も同様に扱え、体を動かしているときと、静止していて力が入っているときの違いを判別できる。
【００３４】
体幹筋だけでなく、四肢の主動筋と拮抗筋にも使用できる。鞄を持っている際の上腕２頭筋と３頭筋などの等尺性収縮も検出できる。
【００３５】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。
【００３６】
フォトモスリレーの代わりにフォトトランジスタを用いても良い。
【００３７】
昇圧回路は任意の非絶縁系のトランスレスのものを用いても良い。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように、請求項１及び２記載の本発明によれば、小型軽量化のために昇圧回路を非絶縁系であるトランスレスにした上で、昇圧回路と筋電測定系とで電源を兼用することができる。
【００３９】
また、請求項６記載の本発明によれば、日常生活を送りながら本装置を装着して使用しても体の動きを妨げられることがない。
【００４０】
またこれにより、例えば猫背の人は、背筋に弱い一定の筋電が生じているが、この生じている筋電に更に電気刺激を加えることで、良い姿勢も保持でき、使用しているうちに、筋力のバランスがとれ、自然に均整のとれた良い姿勢に矯正されて、肩こり、腰痛などが減るという副次的効果が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施の形態による電気刺激装置の構成を示す図である。
【図２】第１実施の形態の動作を説明する波形図である。
【図３】昇圧回路の構成の例を示す図である。
【図４】本発明の第２実施の形態による電気刺激装置の構成を示す図である。
【図５】本発明の第３実施の形態による電気刺激装置の構成を示す図である。
【図６】第１従来技術である電気刺激装置の構成を示す図である。
【図７】第２従来技術である電気刺激装置の構成を示す図である。
【図８】第１参考技術である電気刺激装置の構成を示す図である。
【図９】第２参考技術である電気刺激装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１１、６１、８１計測増幅器
１２、６２、８２多段増幅器
６４刺激手段

Claims

皮膚表面に配置される第１電極及び第２電極と、
第１電極及び第２電極間の信号に基づいて刺激信号を制御する制御手段と、
直流の刺激信号を供給するトランスレスの昇圧回路と、
直列に接続され共通接続端子が第１電極に接続される第１スイッチ及び第２スイッチと直列に接続され共通接続端子が第２電極に接続される第３スイッチ及び第４スイッチとを有し、第１スイッチ及び第２スイッチと第３スイッチ及び第４スイッチが並列に接続され前記制御手段により制御されるＨブリッジ回路と、
該Ｈブリッジ回路と並列に接続されるコンデンサと、
前記昇圧回路の出力の両端と前記コンデンサの両端との間にそれぞれ接続され前記制御手段により制御されて、前記Ｈブリッジ回路のすべてのスイッチがオフの期間にオンとなる第５スイッチ及び第６スイッチと、
前記昇圧回路の出力の一端と接続され皮膚表面に配置される第３電極と
を備えることを特徴とする電気刺激装置。
皮膚表面に配置される第１電極及び第２電極と、
第１電極及び第２電極間の信号に基づいて刺激信号を制御する制御手段と、
直流の刺激信号を供給するトランスレスの昇圧回路と、
直列に接続される第１スイッチ及び第２スイッチと直列に接続される第３スイッチ及び第４スイッチとが並列に接続され前記制御手段により制御されるＨブリッジ回路と、
該Ｈブリッジ回路と並列に接続されるコンデンサと、
前記昇圧回路の出力の両端と前記コンデンサの両端との間にそれぞれ接続され前記制御手段により制御されて、前記Ｈブリッジ回路のすべてのスイッチがオフの期間にオンとなる第５スイッチ及び第６スイッチと、
第１スイッチと第２スイッチとの共通接続端子と第１電極及び第２電極との間にそれぞれ接続される第７スイッチ及び第８スイッチと、
第３スイッチと第４スイッチとの共通接続端子と接続され皮膚表面に配置される第３電極と
を備えることを特徴とする電気刺激装置。
第７スイッチ及び第８スイッチが、ダイアックであることを特徴とする請求項２記載の電気刺激装置。
前記制御手段は、第１電極及び第２電極間の信号に基づいて筋肉が静止しているときに、電気刺激を与えるように制御することを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の電気刺激装置。
前記制御手段は、第１電極及び第２電極間の信号から導出される随意筋電の大きさの時間的変化に基づいて制御することを特徴とする請求項４記載の電気刺激装置。
筋肉が静止しているときに、電気刺激を与えて筋肉を収縮させる手段を有することを特徴とする電気刺激装置。